CN107064136B - 基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法，包括图像获取步骤和图像预处理步骤；所述图像获取步骤依次包括圆柱体试件的制作、切片试件的制作以及对切片垂直方向截面的高精度二维图像扫描步骤；所述图像预处理步骤依次包括将高精度二维图像转换灰度图步骤、应用阈值法从沥青胶浆和空隙中区分出粗集料步骤、将灰度图分割为一组相同大小的矩形图分别进行阈值优选以及对颗粒轮廓进行检查和修正；还包括接触定义步骤和指标计算步骤。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法。属于路面材料领域。
背景技术
沥青混合料是一种结构复杂的多相材料，由集料、沥青胶浆、空气组成。深入研究沥青混合料中集料形状特征以及其在混合料内部的分布即细观结构，对沥青混合料宏观性能的调节与控制将具有更好的指导作用。数字图像处理技术利用相机或CT图像处理技术获取沥青混合料切片截面图像，基于此方法研究混合料内部结构特性兼备高效性与精确性。
近年来，随着电子和计算机技术的发展，高精度图像的获取不再成为研究中的难点。国内外研究中已经对集料外形、棱角性、表观纹理等特性进行分析与研究，但对于集料间接触特性研究较少。本发明基于二维数字图像处理技术，对不同级配沥青混合料接触特性进行量化分析，并提出评价指标。
发明内容
本发明的目的在于通过对沥青混合料细观特性的研究，提出一种基于二维数字图像处理技术，对不同级配沥青混合料接触特性进行量化分析，并提出评价指标的评价方法。
为了达到以上目的，本发明涉及的一种基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法，包括图像获取步骤和图像预处理步骤；所述图像获取步骤依次包括圆柱体试件的制作、切片试件的制作以及对切片垂直方向截面的高精度二维图像扫描步骤；所述图像预处理步骤依次包括将高精度二维图像转换灰度图步骤、应用阈值法从沥青胶浆和空隙中区分出粗集料步骤、将灰度图分割为一组相同大小的矩形图分别进行阈值优选以及对颗粒轮廓进行检查和修正；其特征在于：还包括接触定义步骤和指标计算步骤；
在所述接触定义步骤中，接触距离定义为集料边界的像素点距离其他任意一个集料的边界像素点的最小距离，集料边界像素点的接触距离如果小于预先设定的最大接触距离，则定义此像素点为接触像素点；两个集料之间的接触像素点组成接触线，接触线的长度为将接触线像素点总个数换算为长度单位所得的毫米值，接触线的方向被定义为从开始点到接触线的终点的辅助直线与图像的水平轴的夹角；
在所述指标计算步骤中，首先对经过图像获取和预处理步骤获得的沥青混合料试件粗集料间的接触距离、接触线长度和方向以及接触线个数指标进行确定；
然后给出接触距离分布指标、接触长度分布指标以及接触方向三类指标并计算各类指标数值；
1)所述接触距离分布指标包括平均接触距离dave、接触距离不大于0.5mm所占比Pd≤0.5mm以及接触距离不大于1mm所占比Pd≤1mm，其计算公式分别如下：
其中：
N：一个截面内所有集料边界像素点总个数；
di：边界像素点i的接触距离，单位为mm；
Nd≤0.5mm：接触距离不大于0.5mm边界像素点个数；
Nd≤1mm：接触距离不大于1mm边界像素点个数；
2)所述接触长度分布指标包括接触线总长Lsum、接触个数No.contact以及平均接触长度Lave；其中，Lsum表示一个截面内所有接触像素点的换算长度标准值，No.contact表示一个截面内接触总个数标准值，Lave为Lsum与No.contact的比值，其计算公式分别如下：
其中：
As：标准图像尺寸15000mm2，150*100mm矩形；
Ai：截面i面积，单位为mm2；
Li：截面i实际接触总长单位为mm；
No.contacti：截面i实际接触总对数；
3)所述接触方向指标包括接触线倾角均值θ、接触线倾角集中度Δ；其计算公式分别如下：
其中：
θk：各截面接触线k与水平轴夹角；
N：各截面中接触线总条数。
本发明进一步确定的技术方案为：在所述图像获取步骤中，对切片垂直方向截面的扫描过程中，所述切片用黑箱罩住。
进一步的，在所述图像预处理步骤中，首先要对切片图像施加绿色的滤镜以稀释集料部分存在的蓝色通道像素点。
进一步的，在所述接触定义步骤中，所述预先设定的最大接触距离设定为0.5mm。
进一步的，在所述图像预处理步骤中，在图像分割时，应用阈值法从沥青胶浆和空隙中区分出粗料集；所述粗料集颗粒大于1.18mm。
进一步的，在所述图像预处理步骤中，在图像分割前应用顶帽变换和中值滤波算法分别消除亮度不均和图像噪声。
本发明提出了沥青混合料的集料接触特性的评价方法，定义了接触距离分布指标、接触长度分布指标以及接触方向三类指标，将沥青混合料的细观结构进行数字化表征。在本发明的基础上，可以建立沥青混合料的集料接触特性与其宏观力学性能的关系，从而通过沥青混合料的集料接触特征评价沥青混合料的宏观力学性能。本发明为沥青混合料的细观结构数字化表征以及宏观力学性能数字化评价奠定了基础，为提高沥青混合料的路用性能提供了全新的研究思路，具有重要的理论和应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明切片试件的制作示意图。
图2(a)为图像预处理分割示意图；图2(b)、(c)和(d)为接触定义示意图。
图3(a)、(b)、(c)以及图(d)为AC-13图像处理过程示意图。
图4(a)、(b)、(c)以及图(d)为SUP-13图像处理过程示意图。
图5(a)、(b)、(c)以及图(d)为SMA-13图像处理过程示意图。
具体实施方式
本实施例涉及一种基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法，其评价方法包括如下几个步骤：
(1)图像获取
本发明利用旋转压实仪成型高180mm，直径150mm的圆柱体试件，再将整体试件通过转芯、切割等操作，得到目标尺寸为高150mm，直径100mm的圆柱体试件，如图1所示。再将目标尺寸圆柱体试件以10mm为间隔，沿顶面至底面方向进行切片操作，每个试件共切割8面，选取中间的6个切片，从而获得12个垂直方向截面样本。之后，使用高精度扫描仪，分辨率选用762dpi，即0.0334mm/像素对六片共12个样本截面进行高精度二维图像扫描，扫描过程中使用黑箱将试件罩住，避免光线对图像精度的影响。
(2)图像预处理
如图2(a)所示，首先对高精度的切片图像施加绿色的滤镜以稀释集料部分存在的较多蓝色通道像素点。图像分割前，利用MATLAB相关算法将图像转换成灰度图的形式以便于后续的分析。应用顶帽变换和中值滤波算法分别消除亮度不均匀和图像噪声。在分割图像时，应用阈值法从沥青胶浆和空隙中区分出粗集料即颗粒大于1.18mm，如图2(b)所示。图像分割过程中，将扫描图像分割为16个等大的矩形区分别进行阈值选取，每个区域的最优阈值计算采用OTSU自适应算法。分割结束后，对整体二进制图像应用分水岭变换和腐蚀膨胀算法，对颗粒轮廓进行检查和修正。
(3)接触定义
接触距离定义为集料边界的像素点距离其他任意一个集料的边界的最小距离。每一个集料的每一个像素点都有对应一个接触距离。如图2(c)所示，集料边界像素点的接触距离如果小于预先设定的最大接触距离，推荐值为0.5mm，则定义此像素点为接触像素点。在图2(c)中，O1和O2是集料A边界上的两个像素点，集料A的潜在接触区域被定义为以边界像素点如O1和O2作为圆心并以预先确定的最大接触距离为半径的圆形区域。对于点O1，其他集料的像素点被检测在此圆形区域，那么称O1为接触像素，O1到其他集料的边界像素的最小距离被指定为接触距离，并且每一个接触像素都有相应的接触距离。对于点O2，其他集料的像素点没有被检测在此圆形区域，于是O2不是接触像素点。如图2(d)所示，同两个集料之间的接触像素点组成接触线，接触线的长度和方向也被获取分析。接触线的长度为将接触线像素点总个数换算为长度单位所得的毫米值，接触线方向定义为接触线起点和终点的连线与图像的水平轴的夹角。由于两个集料之间的接触线可以是波状和连续的，所以接触的方向被定义为从开始点到接触线的终点的辅助直线与图像的水平轴的夹角。
如图3，分别为AC-13试件的图像处理过程，图3(a)是试件未经任何处理的图像，图3(b)在原图基础上加上了绿色滤镜，图3(c)为MATLAB软件处理后的二值化图像，图3(d)在(c)的基础上去掉了细集料的图像。图4，图5分别为SUP-13和SMA-13试件图像处理过程，过程和试件AC-13一致。
(4)指标计算
通过图像获取与处理过程，得到沥青混合料试件粗集料>1.18mm间的接触距离，接触线长度及方向，接触线个数等指标。本发明提出以下三类指标，评价沥青混合料接触特性：
①接触距离分布指标
通过计算每个集料接触边界像素点间相应距离，提出三大指标：平均接触距离(dave，如公式1所示)、接触距离不大于0.5mm所占比(Pd≤0.5mm，如公式2所示)以及接触距离不大于1mm所占比(Pd≤1mm，如公式3所示)。
其中：
N：一个截面内所有集料边界像素点总个数；
di：边界像素点i的接触距离(mm)；
Nd≤0.5mm：接触距离不大于0.5mm边界像素点个数；
Nd≤1mm：接触距离不大于1mm边界像素点个数。
②接触长度分布指标
本发明基于选取接触距离阈值0.5mm，获取截面图像接触线特性，以此提出三大指标：接触线总长Lsum、接触个数No.contact以及平均接触长度Lave。由于一种混合料试件12个样本截面的尺寸各异，需要将各截面的数据换算成标准图像尺寸下的标准值，换算因子为标准图像面积与各截面面积的比值。其中，Lsum表示一个截面内所有接触像素点的换算长度标准值，如公式5所示，No.contact表示一个截面内接触总个数标准值，如公式6所示，Lave为Lsum与No.contact的比值，如公式4所示。
其中：
As：标准图像尺寸15000mm2，150*100mm矩形；
Ai：截面i面积，单位mm2；
Li：截面i实际接触总长，单位为mm；
No.contacti：截面i实际接触总对数。
③接触方向指标
本发明提出两大指标：接触线倾角均值θ和接触线倾角集中度Δ以评价接触线方向分布特性，如公式7、公式8所示。
其中：
θk：各截面接触线k与水平轴夹角；
N：各截面中接触线总条数。
表1-1为AC-13，SMA-13，SUP-13的试件经由程序处理后得到的各项参数数值。
表1-1试件接触特性参数
从表中可以看出，SMA-13混合料的接触总长度最大，平均接触长度最大，平均接触距离较小。因此，SMA-13混合料体现出较好的骨架嵌挤结构以及较好的接触特征。该结论也可以看出本发明提出的集料接触特征的评价方法的合理性与科学性。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (6)
1.基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法，包括图像获取步骤和图像预处理步骤；所述图像获取步骤依次包括圆柱体试件的制作、切片试件的制作以及对切片垂直方向截面的高精度二维图像扫描步骤；所述图像预处理步骤依次包括将高精度二维图像转换灰度图步骤、应用阈值法从沥青胶浆和空隙中区分出粗集料步骤、将灰度图分割为一组相同大小的矩形图分别进行阈值优选以及对颗粒轮廓进行检查和修正；其特征在于：还包括接触定义步骤和指标计算步骤；
在所述接触定义步骤中，接触距离定义为集料边界的像素点距离其他任意一个集料的边界像素点的最小距离，集料边界像素点的接触距离如果小于预先设定的最大接触距离，则定义此像素点为接触像素点；两个集料之间的接触像素点组成接触线，接触线的长度为将接触线像素点总个数换算为长度单位所得的毫米值，接触线的方向被定义为从开始点到接触线的终点的辅助直线与图像的水平轴的夹角；
在所述指标计算步骤中，首先对经过图像获取和预处理步骤获得的沥青混合料试件粗集料间的接触距离、接触线长度和方向以及接触线个数指标进行确定；然后给出接触距离分布指标、接触长度分布指标以及接触方向三类指标并计算各类指标数值；
1)所述接触距离分布指标包括平均接触距离dave、接触距离不大于0.5mm所占比Pd≤0.5mm以及接触距离不大于1mm所占比Pd≤1mm，其计算公式分别如下：
其中：
N：一个截面内所有集料边界像素点总个数；
di：边界像素点i的接触距离，单位为mm；
Nd≤0.5mm：接触距离不大于0.5mm边界像素点个数；
Nd≤1mm：接触距离不大于1mm边界像素点个数；
2)所述接触长度分布指标包括接触线总长Lsum、接触个数No.contact以及平均接触长度Lave；其中，Lsum表示一个截面内所有接触像素点的换算长度标准值，No.contact表示一个截面内接触总个数标准值，Lave为Lsum与No.contact的比值，其计算公式分别如下：
其中：
As：标准图像尺寸15000mm2，150*100mm矩形；
Ai：截面i面积，单位为mm2；
Li：截面i实际接触总长单位为mm；
No.contacti：截面i实际接触总对数；
3)所述接触方向指标包括接触线倾角均值θ、接触线倾角集中度Δ；其计算公式分别如下：
其中：
θk：各截面接触线k与水平轴夹角；
N：各截面中接触线总条数。
2.根据权利要求1所述的基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法，其特征在于：在所述图像获取步骤中，对切片垂直方向截面的扫描过程中，所述切片用黑箱罩住。
3.根据权利要求2所述的基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法，其特征在于：在所述图像预处理步骤中，首先要对切片图像施加绿色的滤镜以稀释集料部分存在的蓝色通道像素点。
4.根据权利要求3所述的基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法，其特征在于：在所述图像预处理步骤中，在图像分割前应用顶帽变换和中值滤波算法分别消除亮度不均和图像噪声。
5.根据权利要求4所述的基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法，其特征在于：在所述图像预处理步骤中，在图像分割时，应用阈值法从沥青胶浆和空隙中区分出粗料集；所述粗料集颗粒大于1.18mm。
6.根据权利要求1所述的基于二维数字图像处理的沥青混合料接触特性的评价方法，其特征在于：在所述接触定义步骤中，所述预先设定的最大接触距离设定为0.5mm。
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